ECOC 2025: 海思基于低损耗SiN-SOI平台的224 Gbps硅光MRM及540 Gbps异质集成TFLN调制器

在2025年欧洲光通信会议（ECOC）上，华为海思研究团队报道了两篇基于低损耗SiN-SOI平台的高速调制器成果。第一篇题目为First Demonstration of MRM on Low-loss SiN-SOI Platform for High-density and Low-power Optical Interconnection 的论文。该工作首次通过实验演示了一款基于低损耗SiN-SOI平台的O波段224 Gbps微环调制器（MRM)发射机。该技术方案凭借微环调制器的超紧凑尺寸与SiN波导的超低损耗特性(2dB/m传输损耗，0.5dB/facet单模光纤耦合)，为高密度、低功耗短距离光互联系统的发展提供了关键技术支撑，对数据中心、高性能计算等领域的光通信技术升级具有重要意义。

第二篇文章题目为Multi-functional Heterogeneously Integrated TFLN on Silicon Photonics Platform Enabling 540 Gbps/lane IMDD Transmission with 0.9 Vpp Driving Voltage，该工作基于TFLN-on-SiN-SOI 异质集成平台，融合 TFLN 的高调制性能与 SiN-SOI 的高集成度，实现C波段400 Gbps/lane（200 GBaud PAM4）驱动电压仅0.9 Vpp， 消光比4 dB；TDECQ=2.2 dB，BER=3e-4。540 Gbps/lane（180 GBaud PAM8）眼图清晰，线性度高，满足 20% SD-FEC 阈值。

◆ 224 Gbps硅光微环调制器

一、引言：光互联技术的需求与挑战

随着AI计算需求的快速增长，光通信技术在数据中心、高性能计算及5G通信领域的核心地位愈发凸显。高性能计算系统不仅需要承载超大容量的数据带宽，还需在有限的物理空间内实现超高互联密度，这对光器件的尺寸与性能提出了双重要求。

在硅光子器件中，微环调制器（MRM）因相较于MZM具备更紧凑的结构，近年来已成为光互联领域研究与商业化的核心热点。当前，数据速率突破200 Gbps的MRM频繁出现在各类研究报告中，成为行业内衡量高速光互联技术水平的标杆。

然而，在现有高密度互联场景中，激光的功耗在系统总功耗中占比显著，其功耗水平不仅取决于激光自身的壁插效率，还与从激光到硅光子芯片的链路预算直接相关。在成熟的传统硅光子平台中，耦合技术主要分为垂直光栅耦合器与边缘耦合器两类：其中垂直光栅耦合器的插入损耗（IL）约为2 dB/facet，边缘耦合器的插入损耗约为1.5 dB/facet。若计入输入与输出两个端面，两类耦合器将带来3-4 dB的额外插入损耗，这一损耗需通过提升激光功率来补偿，进一步加剧了系统功耗负担。

针对上述挑战，本文首次提出并实验验证了基于低损耗SiN-SOI平台的MRM技术。通过将低损耗无源器件与224 Gbps MRM发射器相结合，构建了一套低功耗光互联技术方案，有效解决了传统平台耦合损耗高、激光功耗占比大的问题。

二、低损耗无源器件：SiN-SOI平台的核心支撑

2.1 SiN材料优势与平台集成突破

氮化硅（SiN）材料相较于SOI具有三大核心优势：更低的传输损耗、更优异的温度稳定性，以及更高的光功率损伤阈值。但长期以来，高性能SiN与SOI平台的集成一直是行业内的技术难点。

本文提出的SiN-SOI平台成功突破这一限制，实现了超低损耗SiN无源波导与SOI平台的高效集成。其结构设计如图1(a)所示：在MRM发射器中，SiN波导专门用于光信号的耦合与布线，而Si波导则负责集成MRM与监测光电二极管（mPDs），两类波导各司其职，既保障了光链路的低损耗特性，又确保了调制与监测功能的完整实现。

2.2 无源器件的关键性能指标

在光通信常用的O波段，本文设计的高性能SiN单模波导实现了0.02 dB/cm的超低传输损耗，这一指标为全链路损耗控制奠定了基础。同时，为匹配单模光纤（SMF）的光斑尺寸，研究团队对SiN边缘耦合器进行了精细优化。实测结果（如图1(b)、1(c)所示）显示，在1290 nm至1350 nm的波长范围内，对于TE模和TM模，单模光纤到硅光子芯片的耦合损耗均小于0.5 dB/facet，远低于传统耦合器的损耗水平。

此外，Si到SiN的过渡结构是SiN-SOI平台的关键连接组件，在1310 nm波长下，该过渡结构的插入损耗小于0.05 dB。基于上述无源器件的优异性能，整个光链路的低传输损耗得到了有效保障，为后续高速信号的稳定传输提供了必要条件。

三、MRM芯片设计与实测性能

3.1 芯片结构的精细化设计

本文提出的MRM芯片基于低损耗SiN-SOI平台完成设计与制造，其结构设计围绕“提升耦合效率、保障调制性能”展开：

- 采用跑道型微环结构：相较于传统圆形微环，跑道型微环能显著提升总线波导与微环之间的耦合效率，减少信号传输过程中的能量损耗；

- 采用Add-drop微环架构：在芯片的输入端口与下路端口分别设置了两个mPD，可实时监测光信号的传输状态，便于后续性能校准与优化；

- 集成横向PN结与加热器：在微环波导内部设计了横向PN结，并对结区的掺杂浓度进行了优化，以提升电光调制效率；同时，在波导正上方集成了加热器，用于实现波长调谐，确保芯片能适配不同信道的工作需求。

3.2 芯片的实测性能数据

3.2.1 传输光谱特性

图2(a)展示了MRM芯片的实测传输光谱。结果显示，该MRM的自由光谱范围（FSR）约为9.2 nm，这一宽度可容纳8个信道间隔为200 GHz的光信号，具备支持波分复用技术的潜力，为提升系统带宽密度提供了可能。此外，器件的消光比（ER）约为19 dB，Q值约为3000，高Q因子体现了微环的窄带滤波特性与低损耗优势，进一步验证了SiN-SOI平台的低损耗特性。

3.2.2 电光带宽性能

通过在MRM芯片上施加不同反向电压，实测其电光（EO）效率约为20 pm/V，该指标反映了电压对波长调制的控制灵敏度，20 pm/V的效率意味着仅需较小的电压变化即可实现显著的波长偏移，有助于降低调制过程中的功耗。

在-1.5 V的反向偏压下，研究团队对MRM的电光带宽进行了测试（如图2(b)所示）。结果显示，在4 dB与6 dB的工作点下，芯片的3 dB电光带宽分别为59 GHz与51 GHz。这一带宽水平完全能够满足224 Gbps高速信号的调制需求，为后续发射器的高性能奠定了芯片级基础。

四、MRM发射器的系统级实验结果

为进一步验证MRM的实际传输性能，研究团队将MRM芯片封装为完整的发射机，并开展了系统级的性能测试。

4.1 发射器的封装与配置

将驱动芯片与MRM芯片通过引线键合（wire bonding）的方式封装在评估板上，外部发射的射频（RF）信号通过连接器传输至DRV芯片，DRV芯片为MRM提供反向偏压与3 V的电压摆幅。

4.2 发射器的关键性能测试

4.2.1 RF性能测试

对发射器进行RF性能测试，测得其S21曲线如图3所示。由于研究团队对MRM与驱动芯片之间的电容负载匹配进行了优化，有效减少了级联过程中的信号反射与损耗，使得级联后的发射器整体带宽得到显著提升。实测结果显示，在4 dB与6 dB的工作点下，MRM发射机的3 dB电光带宽分别达到67 GHz与60 GHz，相较于单独MRM芯片的带宽进一步提升，为224 Gbps高速信号的传输提供了充足的带宽余量。

4.2.2 眼图性能测试

将高速PAM-4信号输入发射机，同时对包含电缆、连接器在内的链路RF响应进行了校准与预补偿，以消除链路损耗对信号质量的影响；输入光信号由O波段可调谐激光源提供，确保光源的稳定性。得益于光链路的低损耗特性，无需使用掺镨光纤放大器即可捕获清晰的调制光信号。实测眼图结果如下：

- 112 Gbps PAM-4信号（图4(a)）：消光比（ER）为4.16 dB，发射机TECQ为2.14 dB，符号误码率（SER）为4.8e-4，各项指标均满足高速传输系统的要求；

- 224 Gbps PAM-4信号（图4(b)）：消光比（ER）为3.2 dB，发射机TECQ为2.5 dB，符号误码率（SER）为2e-2。即使在224 Gbps的超高速率下，眼图仍保持清晰张开状态，验证了发射器的高速传输能力与稳定性。

五、系统功耗优化的量化分析

在多数基于MRM的低功耗收发器场景中，包含TEC的激光功耗占系统总功耗的比例较高，是制约系统能效的关键因素。结合已有研究数据，本文对系统功耗进行了量化分析：

- 针对基于<50 Gbps MRM的波分复用系统，外部光源能效约为2 pJ/bit；

- 针对基于112 Gbps MRM的CPO系统，外部光源的能效约为1.09 pJ/bit；

上述两类系统的总能效约为3-4 pJ/bit，其中光源能效占比约30%，是系统功耗优化的核心环节。

本文提出的低损耗SiN-SOI平台在链路损耗控制上具有显著优势：收发器的整个光链路涉及3个耦合接口（激光到硅光子芯片、硅光子芯片到光纤的调制信号输出、光纤到硅光子芯片的接收信号输入），该平台可实现整个光链路的总耦合损耗小于1.5 dB，相比多数传统耦合方案，损耗降低约3 dB。这意味着激光的传输功率分配可翻倍——无需提升激光的输出功率，即可实现相同的信号传输距离，进而使激光的能效提升100%；从系统层面来看，这一损耗优化可使全系统的能效节省约15%，为低功耗光互联系统的设计提供了重要技术支撑。

六、结论

本文通过低损耗SiN-SOI平台，在低功耗、高速光互联技术的发展中实现了显著突破。该平台具备超低插入损耗与高效耦合特性，成功支撑了224 Gbps MRM发射器的制备与测试。

从性能指标来看，该MRM发射器的带宽超过60 GHz，在112 Gbps与224 Gbps PAM-4信号下均能呈现清晰的张开眼图，充分验证了其高速数据传输潜力；从系统功耗来看，低损耗无源器件与高速MRM的结合，有效降低了激光功耗占比，使系统能效提升约15%。

这一技术方案凸显了在未来数据中心、高性能计算等高密度互联应用中的巨大潜力，为构建更高效、更紧凑的光通信系统铺平了道路，也为后续硅光子技术的商业化应用提供了重要参考。

◆ 540Gbps异质集成TFLN调制器

一、研究背景

AI数据中心光互连的技术瓶颈与需求随着人工智能（AI）技术的快速发展，数据中心流量呈现爆发式增长，对高速、低功耗光传输技术的需求日益迫切。目前，800 Gbps和1.6 Tbps以太网标准已通过多光纤或波长通道实现200 Gbps/lane的传输能力，但为进一步提升链路容量、降低单位比特功耗与成本，400 Gbps/lane技术正成为行业探索的核心方向。

在200 Gbps/lane技术体系中，硅光子（SiPh）平台凭借约50 GHz的调制带宽、单芯片集成8通道的能力，以及可依托成熟互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺实现量产的优势，获得了广泛关注。然而，纯硅调制器受限于等离子体色散效应的固有原理，在200 GBaud速率下面临带宽、半波电压（Vπ）与损耗之间的难以调和的权衡问题，无法满足400 Gbps/lane的性能需求。

薄膜铌酸锂（TFLN）调制器因具备超高调制带宽、低V_π与低光损耗的特性，被视为硅调制器的理想替代方案。但在现有技术路线中，各类TFLN光子平台多存在功能单一的局限——缺乏光收发器产品必需的高性能无源组件、与标准单模光纤（SSMF）匹配的低损耗光斑尺寸转换器（SSC）、片上mPD及低功耗稳定相移器，难以直接应用于实际场景。

为此，华为海思提出TFLN-on-SiN-SOI异质集成平台，融合TFLN的高调制性能与SiN-SOI平台的高集成度，填补400 Gbps/lane光互连的技术空白。

二、TFLN光子集成芯片（PIC）的结构设计与核心特性

TFLN-on-SiN-SOI平台以铌酸锂（LN）、硅（Si）、锗（Ge）和氮化硅（SiN）为关键光学材料，充分发挥各材料的性能优势，构建功能完备的光子集成芯片（PIC）。该PIC的核心结构包括混合Si-SiN-TFLN马赫曾德尔调制器（MZM）、SiN SSC、Si热光相移器（TOPS）及片上Ge光电探测器（PD），各组件协同工作，实现高带宽、低损耗、低功耗的信号调制与传输。

2.1 芯片整体架构与功能分工混合

Si-SiN-TFLN MZM是PIC的核心功能单元，其内部集成高速TFLN相移器与低功耗Si TOPS：TFLN相移器负责射频（RF）信号调制，保障高速传输性能；Si TOPS则用于将MZM偏置至最佳工作点，解决传统LN调制器的直流漂移（DC-drift）问题。SiN SSC作为芯片与外部光纤的接口，实现光信号的低损耗耦合；片上Ge PD采用单片集成方式，无需后处理键合或离线探测器，简化封装流程并降低物料清单（BOM）成本。此外，平台还可灵活集成波分复用/解复用器（用于CWDM4、LWDM4应用）、可变光衰减器（VOA）及任意比例功率分路器等可选模块，进一步拓展功能边界。

2.2 核心组件的关键性能参数

（1）TFLN调制器：超宽频带与低反射特性

实测数据显示，TFLN调制器的3 dB电光（EO）带宽超过110 GHz，在C波段的差分半波电压为2.8 V，可满足超高速信号调制需求。同时，其S11参数在全频谱范围内低于-10 dB，表明RF反射极低，能有效保障RF链路的信号完整性；采用的差分驱动结构进一步优化了信号质量，同时降低了驱动电压需求。

（2）SiN SSC：低损耗与宽兼容性

SiN SSC在SCL波段100 nm波长范围内，对TE和TM模式的SSMF耦合损耗均约为0.6 dB，偏振相关损耗（PDL）低于0.05 dB，具备优异的偏振与波长不敏感性。这一性能优势源于其10 μm的大模场直径（MFD）——与SSMF的MFD高度匹配，而传统纯TFLN平台的SSC受限于制造能力与设计灵活性，MFD通常仅为2-4 μm，若要实现0.6 dB的低插入损耗，需采用极小的关键尺寸（CD），给LN制造带来巨大挑战，或依赖定制光纤，无法适配标准光纤接口。

（3）Si TOPS：超低功耗调谐

Si TOPS采用Si波导结构，利用Si的热光（TO）系数为LN的5倍这一特性，实现超高调谐效率。实测结果显示，仅需1 mW的电功率即可实现π相位偏移，调谐功耗可忽略不计，大幅降低了光收发器的总功耗。

（4）SiN-SOI-LN过渡结构与片上Ge PD

为解决LN波导与SiN-SOI波导之间的光互连问题，平台设计了绝热taper过渡结构，在100 nm波长范围内实现低于0.1 dB的过渡损耗，保障多波长应用的兼容性。片上Ge PD的单片集成不仅省去了额外的键合工序，还减少了离线探测器引入的信号损耗与延迟，当平台扩展至DR8、2XFR4等多通道应用，或实现单芯片集成收发功能时，这一优势将更为显著。

2.3 可靠性：突破传统LN调制器的稳定性难题

传统LN调制器普遍存在DC漂移问题，严重影响长期工作稳定性，而TFLN-on-SiN-SOI平台通过“TFLN MZM+Si TOPS”的协同设计，可有效解决这一问题。为验证平台可靠性，研究团队进行了四项严苛测试：高温工作寿命（HTOL）测试（125℃环境下施加2倍额定电压）、湿热（DH）测试（85℃/85%相对湿度，持续2000小时）、高温存储（HTS）测试（150℃，持续2000小时）及温度循环（TC）测试（-40℃至85℃，循环2000次）。

测试结果表明，PIC在所有工况下均保持稳定的相位特性，无性能劣化，满足工业级可靠性要求。

三、系统实验 setup 与传输性能验证

为全面评估TFLN-on-SiN-SOI平台的传输能力，研究团队搭建了完整的系统测试平台，并针对PAM4、PAM6、PAM8三种调制格式进行了速率与误码性能验证。

3.1 实验 setup 流程

在发射端，首先通过离线DSP生成长度为2^15的PRBS序列，经PAM-m编码后，采用预加重技术与滚降系数为0.1~0.2的升余弦（RC）滤波器进行信号优化，以适配高波特率信号的传输需求。优化后的信号通过高采样率数模转换器（DAC）生成差分电信号，无需额外电放大器，直接通过RF探针驱动TFLN PIC——此时，集成的Si TOPS将PIC偏置于正交工作点，确保调制线性度。

光信号路径中，1550 nm CW激光耦合进入PIC，经调制后的光信号由EDFA放大，再通过100 GHz光电探测器（PD）转换为电信号；转换后的电信号经110 GHz带宽的电放大器放大后，由高速ADC捕获，最终通过离线DSP完成信号处理，包括重采样、时序恢复、150抽头前馈均衡器（FFE）、带3符号记忆的Volterra非线性均衡器（VNLE）、1抽头最大似然序列估计（MLSE）及PAM-m解码。

3.2 关键传输性能结果

（1）400 Gbps/lane：200 GBaud PAM4调制在200 GBaud PAM4调制格式下，TFLN PIC实现了400 Gbps/lane的传输速率。此时，驱动电压仅需0.9 Vpp，即可达到4 dB的消光比（ER）；经均衡处理后，计算得到的传输色散代价（TDECQ）为2.2 dB，比特误码率（BER）低至3e-4，显著优于同类技术的实测结果，且远低于KP4前向纠错（FEC）的阈值要求，展现出优异的信号质量与低驱动功耗特性。

（2）540 Gbps/lane：180 GBaud PAM8调制在更高阶的180 GBaud PAM8调制模式下，平台首次实现了540 Gbps/lane的强度调制直接检测（IMDD）传输。实测眼图显示，信号眼图张开清晰，线性度高，BER满足20%软判决前向纠错（SD-FEC）的阈值要求，验证了平台在超高速场景下的应用潜力。

（3）其他调制格式的性能补充

对于190 GBaud PAM6调制，平台实现了458 Gbps的净传输速率，BER为4e-3，满足7%硬判决前向纠错（HD-FEC）阈值；在160 GBaud和180 GBaud PAM8调制下，净速率均接近450 Gbps，分别满足7% HD-FEC与20% SD-FEC的阈值要求，进一步证明了平台对不同调制格式的兼容性与适应性。

四、结论：平台的技术价值与应用前景

华为TFLN-on-SiN-SOI异质集成平台的研究成果，首次实现了TFLN与SiN-SOI的高效融合，在技术层面呈现三大核心价值：其一，保留了TFLN调制器>110 GHz带宽、2.8 V差分Vπ的高调制性能，同时继承了SiN-SOI平台低损耗（SiN波导传播损耗<0.1 dB/cm）、高集成度的优势，且未劣化原有SiN-SOI组件的性能；其二，通过Si TOPS与片上Ge PD的设计，解决了传统LN调制器的DC漂移问题与封装复杂度问题，同时将调谐功耗降至1 mW/π，实现“高性能-低功耗-高可靠”的协同；其三，0.6 dB的SSMF耦合损耗与标准光纤接口适配，为实际工程应用扫清了关键障碍。在应用层面，该平台可灵活扩展至DR8、2XFR4等多通道场景，或实现单芯片集成收发功能，不仅能支撑下一代400 Gbps/lane光互连需求，还为未来1.6 Tbps、3.2 Tbps以太网的发展奠定基础，成为AI数据中心、高性能计算等领域高速光传输的核心解决方案。